Inhaltsverzeichnis Einführung und Überblick Mechanik eines Massenpunktes

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Überblick DieBedeutungdesExperimentes DerModellbegriffinderPhysik HistorischerRückblick Die antike Naturphilosophie Die Entwicklung der klassischen Physik Die moderne Physik Unser heutiges physikalisches Weltbild Beziehungen zwischen Physik und Nachbarwissenschaften Biophysik und medizinische Physik Astrophysik Geophysik und Meteorologie PhysikundTechnik Physik und Philosophie Die Grundgrößen in der Physik, ihre Normale und Messverfahren Längeneinheiten MessverfahrenfürLängen Zeiteinheiten Zeitmessungen MasseneinheitenundihreMessung Stoffmengeneinheit Temperatureinheit EinheitderelektrischenStromstärke EinheitderLichtstärke Winkeleinheiten Maßsysteme MessgenauigkeitundMessfehler SystematischeFehler Statistische Fehler. Messwertverteilung und Mittelwert Streuungsmaße Fehlerverteilungsgesetz Fehlerfortpflanzung Ausgleichsrechnung Zusammenfassung Übungsaufgaben Mechanik eines Massenpunktes Das Modell des Massenpunktes. Bahnkurve Geschwindigkeit und Beschleunigung Gleichförmig beschleunigte Bewegung DerfreieFall DerschrägeWurf Bewegungen mit nicht-konstanter Beschleunigung Die gleichförmige Kreisbewegung Die allgemeine krummlinige Bewegung

2 X Inhaltsverzeichnis 2.5 Kräfte Kräfte als Vektoren. Addition von Kräften Kraftfelder Messung von Kräften. Diskussion des Kraftbegriffes Die Grundgleichungen der Mechanik DieNewtonschenAxiome TrägeundschwereMasse Die Bewegungsgleichung eines Teilchens ineinembeliebigenkraftfeld DerEnergiesatzderMechanik ArbeitundLeistung Wegunabhängige Arbeit. Konservative Kraftfelder PotentielleEnergie DerEnergiesatzderMechanik Zusammenhang zwischen Kraftfeld und Potential Drehimpuls und Drehmoment Gravitation und Planetenbewegungen DieKeplerschenGesetze NewtonsGravitationsgesetz Planetenbahnen DaseffektivePotential GravitationsfeldausgedehnterKörper Experimentelle Prüfung des Gravitationsgesetzes Experimentelle Bestimmung der Erdbeschleunigung Zusammenfassung Übungsaufgaben Bewegte Bezugssysteme und spezielle Relativitätstheorie Relativbewegung Inertialsysteme und Galilei-Transformation BeschleunigteBezugssysteme,Trägheitskräfte Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme RotierendeBezugssysteme Zentrifugal-undCorioliskräfte Zusammenfassung DieKonstanzderLichtgeschwindigkeit Lorentz-Transformationen SpezielleRelativitätstheorie Das Problem der Gleichzeitigkeit Minkowski-Diagramme Skalenlängen Lorentz-KontraktionvonLängen Zeitdilatation Zwillings-Paradoxon Raumzeit-Ereignisse und Kausalität Zusammenfassung Übungsaufgaben Systeme von Massenpunkten. Stöße Grundbegriffe Massenschwerpunkt ReduzierteMasse Drehimpuls eines Teilchensystems Stöße zwischen zwei Teilchen Grundgleichungen ElastischeStößeimLaborsystem Elastische Stöße im Schwerpunktsystem

3 Inhaltsverzeichnis XI InelastischeStöße Newton-Diagramme Was lernt man aus der Untersuchung von Stößen? Streuung in einem kugelsymmetrischen Potential ReaktiveStöße StößebeirelativistischenEnergien RelativistischeMassenzunahme Kraft und relativistischer Impuls DierelativistischeEnergie Inelastische Stöße bei relativistischen Energien RelativistischerEnergiesatz Erhaltungssätze Impulserhaltungssatz Energieerhaltungssatz Drehimpulserhaltung Erhaltungssätze und Symmetrien Zusammenfassung Übungsaufgaben Dynamik starrer ausgedehnter Körper DasModelldesstarrenKörpers Massenschwerpunkt Die Bewegung eines starren Körpers KräfteundKräftepaare Trägheitsmoment und Rotationsenergie SteinerscherSatz Bewegungsgleichung der Rotation eines starren Körpers Rotation um eine Achse bei konstantem Drehmoment Drehschwingungen um eine feste Achse Vergleich von Translation und Rotation Rotation um freie Achsen; Kreiselbewegungen Trägheitstensor und Trägheitsellipsoid Hauptträgheitsmomente FreieAchsen Die Eulerschen Gleichungen Der kräftefreie symmetrische Kreisel Präzession des symmetrischen Kreisels Überlagerung von Nutation und Präzession Die Erde als symmetrischer Kreisel Zusammenfassung Übungsaufgaben Reale feste und flüssige Körper AtomaresModellderAggregatzustände DeformierbarefesteKörper HookeschesGesetz Querkontraktion Scherung und Torsionsmodul Biegung eines Balkens Elastische Hysterese, Deformationsarbeit DieHärteeinesFestkörpers RuhendeFlüssigkeiten,Hydrostatik Freie Verschiebbarkeit und Oberflächen von Flüssigkeiten StatischerDruckineinerFlüssigkeit AuftriebundSchwimmen

4 XII Inhaltsverzeichnis 6.4 Phänomene an Flüssigkeitsgrenzflächen Oberflächenspannung Grenzflächen und Haftspannung Kapillarität Zusammenfassung ReibungzwischenfestenKörpern Haftreibung Gleitreibung Rollreibung Bedeutung der Reibung in der Technik DieErdealsdeformierbarerKörper PolabplattungderrotierendenErde Gezeitenverformung Wirkungen der Gezeiten Messung der Erdverformung Zusammenfassung Übungsaufgaben Gase MakroskopischeBetrachtung Luftdruck und barometrische Höhenformel KinetischeGastheorie DasModelldesidealenGases Grundgleichungen der kinetischen Gastheorie Mittlere kinetische Energie und absolute Temperatur Verteilungsfunktion Maxwell-Boltzmannsche Geschwindigkeitsverteilung Stoßquerschnitt und mittlere freie Weglänge Experimentelle Prüfung der kinetischen Gastheorie Molekularstrahlen TransportprozesseinGasen Diffusion Brownsche Bewegung WärmeleitunginGasen ViskositätvonGasen Zusammenfassung DieErdatmosphäre Zusammenfassung Übungsaufgaben Strömende Flüssigkeiten und Gase Grundbegriffe und Strömungstypen Euler-Gleichung für ideale Flüssigkeiten Kontinuitätsgleichung Bernoulli-Gleichung Laminare Strömungen InnereReibung Laminare Strömung zwischen zwei parallelen Wänden Laminare Strömungen durch Rohre Kugelfall-Viskosimeter, Stokessches Gesetz Navier-Stokes-Gleichung WirbelundZirkulation HelmholtzscheWirbelsätze Die Entstehung von Wirbeln Turbulente Strömungen; Strömungswiderstand

5 Inhaltsverzeichnis XIII 8.7 Aerodynamik Der dynamische Auftrieb Zusammenhang zwischen dynamischem Auftrieb und Strömungswiderstand Kräfte beim Fliegen Ähnlichkeitsgesetze; Reynolds sche Zahl NutzungderWindenergie Zusammenfassung Übungsaufgaben Vakuum-Physik Grundlagen und Grundbegriffe Die verschiedenen Vakuumbereiche Einfluss der Wandbelegung Saugvermögen und Saugleistung von Pumpen Strömungsleitwerte von Vakuumleitungen Erreichbarer Enddruck Vakuumerzeugung Mechanische Pumpen Diffusionspumpen Kryo- und Sorptionspumpen MessungkleinerDrücke Flüssigkeitsdruckmessgeräte Membranmanometer Wärmeleitungsmanometer Ionisations- und Penning-Vakuummeter Reibungsvakuummeter Zusammenfassung Übungsaufgaben Wärmelehre TemperaturundWärmeenergie Temperaturmessung, Thermometer und Temperaturskala Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper Thermische Ausdehnung von Gasen, Gasthermometer AbsoluteTemperaturskala WärmemengeundspezifischeWärme Molvolumen und Avogadro-Konstante Innere Energie und molare Wärmekapazität idealer Gase Spezifische Wärme eines Gases bei konstantem Druck Molekulare Deutung der spezifischen Wärme Spezifische Wärmekapazität fester Körper Schmelzwärme und Verdampfungswärme Wärmetransport Konvektion Wärmeleitung Das Wärmerohr (Heatpipe) Methoden der Wärmeisolierung Wärmestrahlung ThermischeSolarenergienutzung Die Hauptsätze der Thermodynamik Zustandsgrößen Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Spezielle Prozesse als Beispiele für den ersten Hauptsatz Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik DerCarnotscheKreisprozess Äquivalente Formulierungen des zweiten Hauptsatzes

6 XIV Inhaltsverzeichnis DieEntropie ReversibleundirreversibleProzesse FreieEnergieundEnthalpie ChemischeReaktionen Thermodynamische Potentiale; Zusammenhang zwischen Zustandsgrößen Gleichgewichts-Zustände Der dritte Hauptsatz (Nernstsches Theorem) Thermodynamische Maschinen Thermodynamik realer Gase und Flüssigkeiten Van-der-Waalssche Zustandsgleichung Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen Lösungen und Mischzustände Vergleich der verschiedenen Zustandsänderungen EnergiequellenundEnergie-Umwandlung Wasserkraftwerke Gezeitenkraftwerke Wellenkraftwerk Geothermie-Kraftwerke Solar-thermischeKraftwerke PhotovoltaikAnlagen Bio-Energie Energiespeicher Zusammenfassung Übungsaufgaben Mechanische Schwingungen und Wellen Der freie ungedämpfte Oszillator Darstellung von Schwingungen Überlagerung von Schwingungen Eindimensionale Überlagerungen Zweidimensionale Überlagerung, Lissajous-Figuren Der freie gedämpfte Oszillator <! 0,d.h.schwacheDämpfung >! 0,d.h.starkeDämpfung D! 0 (aperiodischergrenzfall) Erzwungene Schwingungen StationärerZustand Einschwingvorgang Energiebilanz bei der Schwingung eines Massenpunktes Parametrischer Oszillator Gekoppelte Oszillatoren Gekoppelte Federpendel Erzwungene Schwingungen zweier gekoppelter Pendel Normalschwingungen MechanischeWellen Verschiedene Darstellungen harmonischer ebener Wellen Zusammenfassung Allgemeine Darstellung beliebiger Wellen. Wellengleichung VerschiedeneWellentypen Ausbreitung von Wellen in verschiedenen Medien Energiedichte und Energietransport in einer Welle Dispersion, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit ÜberlagerungvonWellen KohärenzundInterferenz Überlagerung zweier harmonischer Wellen

7 Inhaltsverzeichnis XV Beugung, Reflexion und Brechung von Wellen Huygenssches Prinzip Beugung an Begrenzungen Zusammenfassung Reflexion und Brechung von Wellen StehendeWellen Eindimensionale stehende Wellen Experimentelle Demonstration stehender Wellen Zweidimensionale Eigenschwingungen von Membranen WellenbeibewegtenQuellen Doppler-Effekt WellenfrontenbeibewegtenQuellen Stoßwellen Akustik Definitionen Druckamplitude und Energiedichte von Schallwellen Erzeugung von Schallwellen Schalldetektoren Ultraschall Anwendungen des Ultraschalls Verfahren der Ultraschalldiagnostik PhysikderMusikinstrumente EinteilungderMusikinstrumente Akkorde, Tonleitern und Stimmungen PhysikderGeige PhysikbeimKlavierspiel Zusammenfassung Übungsaufgaben Nichtlineare Dynamik und Chaos Stabilität dynamischer Systeme Logistisches Wachstumsgesetz und Feigenbaum-Diagramm Parametrischer Oszillator Bevölkerungsexplosion Systeme mit verzögerter Rückkopplung Selbstähnlichkeit Fraktale Mandelbrot-Mengen Folgerungen für unser Weltverständnis Zusammenfassung Übungsaufgaben Anhang Vektorrechnung Definition des Vektors DarstellungvonVektoren PolareundaxialeVektoren Addition von Vektoren Multiplikation von Vektoren DifferentiationvonVektoren Koordinatensysteme KartesischeKoordinaten Zylinderkoordinaten Sphärische Koordinaten (Kugelkoordinaten)

8 XVI Inhaltsverzeichnis 13.3 Komplexe Zahlen Rechenregeln für komplexe Zahlen Polardarstellung Fourieranalyse Lösungen der Übungsaufgaben Farbtafeln Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

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